超铀核素α粒子能谱共性建模分析技术及应用研究

Aiming at technological requirements and key scientific issues in the field of α energy spectrum measurements, the focus of this proposal is on realizing qualitative and quantitative analysis of the nuclide by developing new methods, adopting new techniques, associated with a self-developed portable α energy spectrum based on semiconductor detector (PIPS). Based on the experimental study, this proposal is to find out the influences of how inhomogeneous factors (vacuum temperatures, distances between detector and radioactive source, and solid angles) affecting the measurement of α energy spectrum, to measure energy spectrum of various standard α radioactive sources, and to establish database of instrument spectrum of standard radioactive source. On the basis of experiments, in this project, we conduct research of fitting method based on weighted least square method and model database of multi-parameter response-function. Simultaneously, we utilize Monte Carlo (MC) method to model multi-condition experimental simulation. And then, we compare database of spectrum from MC simulation and database of spectrum from instrument measurement, revise spectrum of instrument, and establish the complete database of standard radioactive source. Eventually, we materialize the model of spectrum-decoded and the database of spectrum, also establish analysis system of high-accuracy measurement of α energy spectrum through programming and instrument upgrading. This research achievement is expected to tackle the technological bottleneck of α energy spectrum measurement and to provide technological and talent support in both nuclear security and environmental protection.

本项目围绕α能谱测量领域的技术需要和关键科学问题，结合自主研发的基于半导体探测器（PIPS）的便携式α谱仪，以实现核素定性定量分析为目标，开展新方法、新技术和应用研究。在基础实验研究上，探明不同真空度、温度、探源距、立体角等因素对α能谱测量的影响特征，并对多种标准α放射源进行测量，建立标准源仪器谱数据库。在前期实验基础上，进行基于加权最小二乘法的拟合方法研究，建立多参数探测器响应函数模型。结合蒙特卡罗（MC）方法，建立多条件实验模拟模型，将MC模拟得到的谱数据库和仪器谱数据库进行对比与修正，建立完善的标准源谱数据库。最终将获得的解谱模型和谱数据库等进行物化，通过编写软件和仪器升级，建立高精度α能谱测量分析系统。该研究成果预期解决α能谱测量的技术瓶颈，为核安全保障和环境保护提供技术和人才支持。

本项目以核退役、核废物处理等领域涉及的超铀核素α粒子测量为背景，以α能谱测量为技术手段实现超铀核素的定性定量分析，重点开展了超铀核素α粒子能谱的共性建模解析新方法、新技术研究。通过多种条件对α测量的影响特征试验研究，建立了不同条件下能量和效率刻度模型，同时针对不同探源距（几何因子）研究了其对能谱峰形和效率的影响，并利用蒙特卡罗模拟方法研究了α面源轴心距、角度对探测效率的影响，这对α能谱的测量以及谱仪的研发和改进具有现实指导意义；在深入研究当前国内外的α能谱模型基础上，考虑α粒子与β粒子和X射线的符合效应，结合Landau分布，提出了一种新的α能谱峰形函数模型，结合加权最小二乘法拟合研究，实现了对超铀核素α能谱的共性建模，取得了很好的效果，这对提高超铀核素α能谱的解析精度具有重要科学意义；以蒙特卡罗方法为手段开展了α能谱的模拟研究，结合提出的α能谱展宽解析算法，构建了超铀核素的能谱数据库，为今后高分辨率、快速的α能谱解析奠定了基础；最后，本项目在上述实验、方法研究的基础上，以Qt、C++、Matlab混合编程为基础，自主开发了超铀核素α能谱测量与分析软件，实现了本项目所研究的方法的应用，同时，为同类软件的开发提供了一种新的思路。总体而言，本项目研究以超铀核素α粒子能谱共性建模分析为创新点，最终获得了超铀核素α粒子能谱分析方法技术及软件成果，为实现超铀核素α能谱的精确解析提供了技术支撑，具有重要的科学价值。研究过程中取得的结论和经验对便携式α谱仪的研发和改进具有现实指导意义，算法原理和分析技术在超铀核废物的检测、放射性气溶胶的监测、土壤α检测、水质α检测等领域中具有很好的应用前景和推广价值。.项目执行期间，共发表学术论文27篇，其中SCI收录7篇（1篇已录用待刊）；发表国际会议论文2篇；基于部分研究成果出版学术专著1部；申请国家发明专利4项，软件著作权2项；作为部分关键支撑材料获批国家自然科学基金青年基金1项。